DE4141366A1 - Verfahren zur herstellung von siliziumnitridsinterkoerpern mit modifizierter oberflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Konstruktionskeramik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitridsinterkörpern mit modifizierter Oberfläche, die z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Maschinenbau für Verschleißteile zur Anwendung kommen.

Die Herstellung von Siliziumnitridkeramiken mit hohem kovalentem Bindungsanteil erfordert im Verdichtungsprozeß die Anwesenheit einer flüssigen Phase. Diese liegt nach dem Sinterprozeß in Form von Glas oder teilkristallin im Werkstoff vor und stellt den bevorzugten Angriffspunkt für Korrosionsprozesse dar.

Zur Minimierung dieser Korrosionsprozesse wurde versucht, die Korngrenzenphasen zu kristallisieren oder die Zusammensetzung der Korngrenzenphase dahingehend zu beeinflussen, daß oxidische Phasen kristallisieren können, die mit Siliziumdioxid und Siliziumnitrid im Gleichgewicht stehen oder die Oberfläche der Siliziumnitridformkörper in Richtung auf defektarme Oberflächen zu beeinflussen oder Passivierungsschichten aufzubringen.

Die Aufbringung von Passivierungsschichten erfolgt im allgemeinen über CVD- oder PVD-Prozesse (J. Desmaison, Werkstoffe und Korrosion, 41 [1990], 749-750).

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß die so erreichte Passivierung der Oberfläche durch Probleme der Haftfestigkeit der Schichten und Rißbildungen bei Hochtemperaturbelastung eingeschränkt ist.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit dieser Keramiken mit den bekannten Verfahren nicht im gewünschten Maße erreicht werden kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind die folgenden. Bei der erfindungsgemäßen Beschichtung mit Si, Al, C usw. erfolgt eine Umwandlung dieser Schichten in Oxide, Nitride oder Carbide, die ihrerseits als Diffusionsbarriere wirken oder den Charakter der Schicht in Richtung Passivierung günstig beeinflussen.

Gegenüber dem Stand der Technik erfolgt die Minimierung der Oberflächenschädigung dieser Keramiken durch Hochtemperaturoxidation nicht auf dem Wege der gasphasengestützten Aufbringung von Passivierungsschichten, sondern durch die Kombination von ionengestützter Beschichtung der Keramik mit anschließender Glühung in verschiedenen Atmosphären und bei verschiedenen Temperaturen.

Im weiteren soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.

Ein Siliziumnitridsinterkörper, bestehend aus 91,6 Ma% Si₃N₄, 1,6 Ma% Al₂O₃ und 6,8 Ma% Nd₂O₃ ist bei 1850°C und 5 MPa in Stickstoffatmosphäre durckgesintert worden und hat bei einer relativen Dichte von <98% die Abmessungen 13× 13×5 mm. Seine Oberfläche wurde geläppt und hat einen Mittenrauhwert von (0,010±0,005) µm.

Ein so hergestellter Sinterkörper ist in einer Magnetronanlage mit einem Arbeitsdruck von 0,35 Pa Ar und einer Gleichstromleitung von 500 W mit Al beschichtet worden. Die erzielte Schichtdicke betrug 1,0 µm. Anschließend erfolgte die Glühung der Proben in einer N₂/H₂-Atmosphäre (H₂-Gehalt = 5%) bei 1300°C.

Die Oxidation wurde bei 1300°C 100 h durch Auslagerung an Luft durchgeführt.

In der Oberfläche konnte die Bildung einer Al-reichen SiAlON-Phase nachgewiesen werden.

Die Oxidationsrate bei unbeschichteten Sinterkörpern betrug 0,57 mg/cm², bei den entsprechend dem Beispiel modifizierten Sinterkörpern 0,21 mg/cm².

Auch nach der Oxidation traten bei allen erfindungsgemäßen Proben weder Risse noch Abplatzungen an der Oberfläche auf.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumnitridsinterkörpern mit modifizierter Oberfläche, die aus einer Anreicherung von Oxiden oder Nitriden oder SiC oder deren Verbindungen, die mit Si₃N₄ und deren Korngrenzenphase eine Verbindung eingehen, besteht, und diese Modifizierung ionenstrahlgestützt mit Si, Al, Seltenerdenmetallen oder Kohlenstoff durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ionenstrahlgestützten Modifizierung der Oberfläche mit Si, Al, Seltenerdenmetallen oder Kohlenstoff eine Glühung des beschichteten Sinterkörpers nach den folgenden Regimen durchgeführt wird:

   • a) bei Oxiden eine Glühung an Luft bei Temperaturen von 500 bis 1100°C,
   • b) bei Nitriden eine Glühung in stickstoffhaltiger Atmosphäre bei einem Druck von 0,05 bis 200 MPa bei Temperaturen von 500 bis 1300°C,
   • c) bei SiC oder dessen Verbindung in Inertgas bei Temperaturen von 500 bis 1300°C.